二零一六年七月四日，乃木坂46正式启动第三期成员的招募工作，此次应募资格限定为十二至二十岁的女性，报名截止日期为同年七月十九日。这是自二零一三年五月二期生加入之后，时隔三年多以来组合首次公开征集新成员。到了八月二十七日，徵选流程增设了SHOWROOM部门审查环节，共计十三位候补生以不公开姓名的方式在视频直播平台“SHOWROOM”上进行展示，其中大园桃子被赋予的编号为三号。本次三期生招募共收到四万八千九百八十六份申请，最终合格者共有十二名，她们分别是中村丽乃、大园桃子、山下美月、阪口珠美、吉田绫乃克莉丝蒂、向井叶月、岩本莲加、与田祐希、久保史绪里、伊藤理理杏、梅泽美波以及佐藤枫。在入选成员中，大园桃子经由制作人秋元康的强力推荐，被指定为第三期生的暂定中心成员。同年九月四日，乃木坂46三期生徵选最终审查结果公布，所有合格者还共同获得了包括《周刊ヤングジャンプ》、《FLASHスペシャル》、《月刊エンタメ》、《BOMB》、《AKB新闻》在内的多家杂志所颁发的特别奖项。十二月十日，组合在武道馆为三期生举办了正式的披露活动，大园桃子在现场表演了前辈歌曲《命は美しい》，并担任该曲的中心位置。四天后的十二月十四日，全体三期生随组合登上了FNS歌谣祭的舞台，这是她们自出道以来参与的首个音乐节目。《周刊ヤングジャンプ》进入二零一七年，二月二日至二月十二日期间，三期生参加了乃木坂46三期生初公演《3人のプリンシパル》。同年七月十日，大园桃子获选为乃木坂46第十八张单曲的双中心成员之一。二零一八年三月十一日，她成功进入乃木坂46第二十张单曲的选拔阵容；随后在十二月一日，她随组合参加了于中国上海梅赛德斯奔驰文化中心举办的乃木坂46演唱会。二零二一年七月四日，大园桃子通过乃木坂46个人博客对外宣布，她将于九月四日即三期生审查合格五周年纪念日当天毕业，并从此正式退出演艺圈。同年八月二十二日，在乃木坂46夏季巡回演唱会福冈场的演出中，她完成了作为组合成员的最后一次现场表演。至二零二二年一月二十八日，大园桃子开设了个人YouTube频道，开启了新的活动篇章。
大园桃子（おおぞの ももこ）的性格中带有较为明显的消极倾向，她常常将“都说了、桃子是不行的”这句话挂在嘴边，一旦遇到不称心或不喜欢的事情，便会毫不犹豫地直接表达出来。她就读的高中是位于鹿儿岛县的县立曽於高等学校，其家乡在鹿儿岛当地也属于相当偏远的乡村地带，四周被广阔的农田环绕，几乎看不到什么房屋建筑。因此，当她初次来到东京时，发现身边的同学几乎都不骑机车上学，感到十分惊讶。在通过选拔之前，大园桃子对乃木坂46以及偶像行业的了解相当有限。由于比她高一个年级的学姐是乃木坂46的粉丝，那位前辈曾对她说了一句“有事拜托桃子你”，她便在这种半推半就的情况下，迷迷糊糊地报名参加了三期生的招募。因为自觉没有什么特别擅长的才艺，在二期生审查阶段，她特意带了一把木刀进入会场，原本计划展示自己练习了五年的剑道，然而由于现场过于紧张，最终未能完成表演。情急之下，她将木刀当作麦克风，演唱了新垣结衣的歌曲《红绳》，又因为紧张过度，歌声中明显带着颤抖的尾音。在此之前，她从未接触过舞蹈，直到第三次审查前，才在那几位鼓励她报名的前辈们的严格督促下，经历了一段“斯巴达式”的密集训练。到了第四次审查时，她甚至特意与母亲一同前往卡拉OK进行专门的歌唱练习。在审查现场，她演唱了erica的《あなたへ赠る歌》，最终得知自己合格的消息时，连她本人都感到非常意外。直到最终审查全部结束后，她才恍然大悟，明白所谓的自我PR原本是指“介绍自己的优点”。而在那之前的自我PR环节中，她反复陈述的尽是“我这个人很消极、头脑也不好、也没有特长”之类的缺点。